JP3265360B2

JP3265360B2 - 反射光学系の支持調整装置

Info

Publication number: JP3265360B2
Application number: JP17229999A
Authority: JP
Inventors: 利之高辻; 尊光大澤; 富蔵黒澤; 宏徳野口
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2002-03-11
Anticipated expiration: 2019-06-18
Also published as: JP2001004323A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元測定機用ボ
ールステップゲージのボールの間隔を正確に計測するた
めの光波干渉ステッパ等、各種の光学系測定装置に用い
る、反射光学系部品の支持調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】三次元測定機は、三次元空間に存在する
離散したＸ、Ｙ、Ｚの座標点を用いて計算機の支援によ
り寸法及び形状を測定するための装置であり、より具体
的には、定盤上に載置した被測定物と、測定機において
Ｚ軸先端に取り付けたプローブを、被測定物に対して
Ｘ、Ｙ、Ｚの三次元方向へ相対移動させ、プローブが被
測定物に接触した瞬間をとらえ、この瞬間を電気的トリ
ガとして各送り軸方向の座標値を読みとり、計算機によ
り寸法及び形状を計測するものである。

【０００３】上記のような三次元測定機は特に高精度を
要求されることが多く、高精度の測定を保証する意味か
ら、精度検査を逐次行い、その後この三次元測定機を用
いて測定する際には、精度検査の結果を補正値として用
いて指示値を補正し、或いは調整手段により三次元測定
機の指示値の微調整を行う。この三次元測定機の精度検
査に際しては、基準となるゲージが必要であり、このゲ
ージとしては、プローブを三次元的に移動させることに
よりその検出値を評価できるようにしなければならな
い。

【０００４】三次元測定機の各軸の誤差をどのように調
べるかということは多くの研究者の重大な課題であっ
た。そこで、まず三次元測定機の誤差を求める目的にあ
ったゲージの考案がなされ、基本的には球体の測定を行
ってなされるべきであることは周知の事実となってい
る。そして、球体をどのような形態で配置した測定評価
ゲージとするかが次の問題となり、球体を同一平面内に
どのように配置するのか、或いは立体的に配置するのか
など、種々検討されている。

【０００５】上記球体を用いたボールゲージとしては、
複数のボールを一直線上に並べたボールステップゲージ
が広く用いられており、例えば図９及び図１０に示すよ
うなものが知られている。図９において（ａ）は平面
図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）前記平面図の中央断面図
であり、図９において、ゲージ枠体８０には図中３個の
円形の穴８１が形成され、その中心底部にボール受部８
２を形成するとともに、このボール受け部８２の周囲
に、枠体の長手方向に対向して設けたプローブ挿入溝８
３、８３と、これに直角に対向してプローブ挿入溝８
４，８４とを設けている。このボール受部８２には高精
度の球形のボール８５を載置しており、それによりボー
ルステップゲージ８６が構成されている。

【０００６】例えば三次元測定機の校正にこのボールス
テップゲージ８６を使用する際には、このボールステッ
プゲージを定盤上に載置固定し、最初例えば図中右側の
ボールの位置を測定するに際しては三次元測定機のプロ
ーブを少なくともこのボール８５の外周の４カ所に当て
てボールの中心位置を計算して測定し、同様にして順に
すべてのボールの位置を測定する。ボールの位置は予め
高精度の三次元測定機で値付けられており、その値と前
記測定結果とを比較して、この三次元測定機の校正を行
っている。

【０００７】また、図１０（ａ）に示す従来のボールス
テップゲージにおいては、基枠体９1の上に図中３個の
ボール９２を固定した支柱９３を固定している。支柱９
３の一部は薄く剃ぎ落とされていて板ばね的効果を発揮
するように構成され、それにより先端に支持したボール
９２が左右に移動できるようにしている。中央のボール
と左右のボールとの間には連結管９４が配置され、その
連結管９４の両端部分はボール９２の外径形状及び寸法
に合致し、密着するように形成している。左右のボール
の両側には加圧管９５が配置され、外側からは基枠体９
１に立設した支持枠体９６に螺合するねじ９７により押
圧され、連結管９４のもっている有効的長さに従ってボ
ール間隔を決定することがきるようになっている。

【０００８】図１０（ｂ）は上記（ａ）部分平面図であ
り、連結管９４及び加圧管９５がボールと当接する部分
にプローブ挿入溝９８が形成され、前記図８に示すボー
ルステップゲージ８６と同様の機能をなす。また、この
図１０に示すボールステップゲージの各ボールの間隔も
高精度の三次元測定機によって値付けられており、この
ボールステップゲージの使用に際しては、前記図９に示
すものと同様に使用する。

【０００９】図９及び図１０に示すボールステップゲー
ジにおいては、各ボール間隔は高精度の三次元測定機に
より測定され、その精度はある程度高いものの、熱的外
乱により、枠体の上下温度差や左右温度差を生じたとき
には、その温度差による熱膨張によって枠体のバイメタ
ル的効果を生じ、曲がりが発生し、このボールステップ
ゲージの精度が低下する問題点があった。

【００１０】その対策として、本発明者らは図８に示す
ようなボールステップゲージを開発し、特許出願を行っ
ている。同図にて（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、
（ｃ）は斜視図である。ゲージ枠体１は左右の垂直枠
２，３と、両垂直枠２，３の中間部を連結する水平枠４
とからなり、図（ｂ）及び図（ｃ）に示すように断面が
Ｈ型をなしている。

【００１１】図８において、ゲージ枠体１の水平枠４の
中心には、その軸線方向に沿って所定間隔ことにボール
５を挿入する穴６が加工されており、ボール５はその穴
６に圧入されてゲージ枠体１と一体になっている。ボー
ル５はその中心が、上下方向も左右方向も共に、H型断
面をなすゲージ枠体１の断面二次モーメントの中立軸と
なる軸線Ｌに合致するように、ゲージ枠体１に圧入され
て固定されている。

【００１２】ゲージ枠体１の穴６には、図中４個の溝７
が、ボール５の周囲に設けられている。この溝７は三次
元測定機等を使用して、このボールステップゲージ１０
のボール間隔を測定する際に、三次元測定機のプローブ
をボール５に接触するために必要な移動空間である。

【００１３】図８（ａ）において、軸線Ｌは上記のよう
にゲージ枠体１の断面二次モーメントの中立軸であり、
この軸線Ｌ上に全てのボール２の中心が位置し、したが
って上記軸線Ｌはボール５の配列中心線ともなってい
る。

【００１４】ゲージ枠体１において、上記軸線Ｌに平行
であり、その使用状態において上側の面となる左右の垂
直枠２，３の上下方向端面１１，１２、及び水平枠４の
壁面１３は、後述するボールステップゲージ測定用光波
干渉ステッパのローリング防止面として機能する面であ
る。このローリング防止面はどの1面を採用してもよ
く、H型の断面寸法と前記干渉ステッパの形状、寸法等
から、設計構造上の観点から、適当な1面を選択すれば
よい。

【００１５】上記のような構造のボールステップゲージ
１０は、全てのボール５の中心がゲージ枠体１の断面二
次モーメントの中立線上に存在するので、熱的外乱によ
り、枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱
膨張による枠体のバイメタル的効果により曲がりが発生
しても、ボール間隔の寸法変化が発生しにくくなる。ま
た、ボールステップゲージ１０の枠体は弾性支持ばりで
あるので、静的加重によって、はりとしての弾性変形が
発生するが、この変形が発生しても、ボール間隔の変化
は微小なものとすることができる。したがって、極めて
正確なボールステップゲージとすることができ、このボ
ールステップゲージを用いた三次元測定機の校正を正確
に行うことができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなボールス
テップゲージを製造した後には、ボールの位置を特定す
る作業が必要となるが、従来は、できる限り高精度の三
次元測定機を用い、ボールの位置を計測することによっ
て行っていた。しかしながら、いかに高精度の三次元測
定機を用いても、それによって得られる精度はその三次
元測定機自身がもつ精度の範囲内のものであり、このボ
ールステップゲージで校正される三次元測定機は、前記
三次元測定機より下位の精度の三次元測定機の校正のた
めの基準器としてのみ有効である。

【００１７】一般的に測定機器を校正するための基準器
の精度は、被校正機器の精度の１／５から１／１０くら
いの精度で校正されていることが望ましい。近年、三次
元測定機の精度の向上は目覚ましく５００mm 測長で１
μm以下のものも出現している。しかし、この1μmの１
／５の０．２μmの精度の三次元測定機は実在しない。
１μm精度の基準器で１μm精度の三次元測定機を校正し
たのでは長さのトレーサビリテイに関して矛盾を生じる
こととなる。

【００１８】その対策として、ボールステップゲージの
ボールの位置を光学的計測手段を用いて計測することが
考えられ、ボールの中心に対応した位置に反射鏡を設置
し、その反射鏡に対して干渉光を当て、その反射光を用
いて光波干渉を行い、精密な測定を行うことが考えれ
る。その際には、光波干渉ステッパにボールの中心に対
応した位置に反射鏡を正確に位置決めしなければなら
ず、且つ反射鏡の傾きを正確に入射方向に向ける必要が
ある。

【００１９】しかしながら、従来の反射鏡の調整手段で
は、位置合わせを正確に行った後に反射鏡の傾きを調整
した場合には、先の位置がずれてくるため、再度位置合
わせを行う等、このような調整を繰り返す必要があり、
正確な位置合わせと正確な傾斜調整を同時に行うことは
極めて困難であり、しかもその調整は多くの時間を要す
る欠点があった。

【００２０】また、このような問題点は、上記のような
ボールステップゲージの測定に用いる光波干渉ステッパ
用反射光学系支持調節装置に限らず、他の形式のボール
ステップゲージの測定を行う際にも当然同様の問題を生
じ、さらには光波干渉ステッパ用反射光学系以外の、各
種の光学系測定装置における反射鏡支持装置においても
同様の問題を生じる。

【００２１】したがって、本発明は、反射光学系の支持
装置を正確に位置合わせを行いつつ傾きを調整すること
が容易にできる反射光学系の支持調整装置を提供するこ
とを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、前面に反射光学系部品を固定したホルダの
後面にＶ溝を１２０度の等角度分割で設け、ホルダ支持
部材に螺合する調整ねじの先端に固定した球を各Ｖ溝に
嵌入し、ホルダ支持部材とホルダ中心間にばねを張設
し、各調整ねじの操作により反射光学系部品の位置、及
び姿勢を調整する反射光学系の支持調整装置において、
ホルダ支持部材の前面に前記ホルダを配置すると共に、
裏面にばね掛けアームを固定し、ホルダ支持部材の通孔
を貫通して前記バネ掛けアームとホルダ中心間に引張り
ばねを設けたことを特徴とする反射光学系の支持調整装
置。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を説明するに際
し、最初、本発明による反射光学系の支持調整装置を適
用する一実施例としてのボールステップゲージ測定用光
波干渉ステッパについて、図２〜図７について説明す
る。図２はその光波干渉ステッパ２０の正面図であり、
図中には前記したボールステップゲージ１０のボール
５、５’を２点鎖線で書き加えている。図３は底面図で
ある。図４はステッパの右側面図であり、同様にボール
ステップゲージ１０のH型枠体を２点鎖線で図示してい
る。図５は左側面図であり、前記と同様にボール５，
５’を２点鎖線で図示している。図６は前記光波干渉ス
テッパ２０に用いられる軸の拡大側面図である。

【００２４】図２〜図５に示すように、光波干渉ステッ
パ２０は、上板２１に第１スペーサ２２が固定されてお
り、この第１スペーサ２２の下面に鋼球またはセラミッ
ク球等の球体２３が３個、同心円上に互いに１２０度の
角度間隔で固定されている。このような３個の球体２３
で構成され、ボール５や５’に係合する座面は３球球面
座と呼ばれ、ボール５に対して安定した支持を行うこと
ができる。

【００２５】光波干渉ステッパ２０の上板２１には第１
スペーサ２２とは別の第２スペーサ２４が固定されてお
り、この第２スペーサ２４の下部には円筒欠円穴が、相
互に、その穴の軸線が平行で、且つ、前記したボール配
列中心線となる軸線Ｌと平行な方向に、２個形成されて
いる。この欠円穴に円筒棒２５が２個圧入されている。
この円筒棒２５には転がり軸受用の円筒ころを採用する
ことが望ましい。この円筒棒２５は円筒穴の欠円部から
突出して、前記したボール５’に1点づつ合計２点で接
触する。

【００２６】この部分の構成は円筒棒２５を平行配列す
る以外に平面をＶ字型に直交配列したり、またはスペー
サ２４の下部をＶ平面に成形しても、ボール５や５’に
対して２点で接するように構成することの効果は達成で
きるが、円筒棒２５を前記したように転がり軸受用円筒
ころで構成するほうが、ボール球面との摩擦力を少なく
できる点で優れている。

【００２７】上記光波干渉ステッパ２０は、ボールステ
ップゲージ１０の隣接する２個のボール５，５’上に馬
乗り的にまたがり設置される。公知の通り、剛体の空間
における位置と姿勢の自由度は合計６自由度であるか
ら、ボールステップゲージ１０に対して、ステッパ２０
を完全に拘束するためには、３球球面で３点拘束し、ボ
ール５’に対して円筒棒２５で２点拘束しているのでこ
こまで５点拘束が成立している。最後の６点目の拘束
は、ボールステップゲージ１０のローリングを防止する
目的で、図示実施例では前記ボールステップゲージ１０
のローリング防止面としての垂直枠の端面に対して、ス
テッパ上板２１から下方に突出した小球２６を突き当て
行う。小球２６は調整ねじ２７の下端に固定されてお
り、調整ねじ２７は上板２１に螺合されて、上下方向に
調整された後、上板２１に対してナット２８によりロッ
クされる。

【００２８】以上のように光波干渉ステッパ２０を構成
することにより、２個のボール５，５’上にこの光波干
渉ステッパ２０を馬乗り状に載置するのみで、剛体の空
間の６自由度を完全に拘束することができ、容易に、且
つ正確に三次元測定機の校正を行うことができる。

【００２９】上記光波干渉ステッパ２０の上板２１の左
右両側にはミラー支持腕３０が突出しており、各ミラー
支持腕３０には、図１に詳細に示すように、本発明によ
る反射光学系の支持調整装置を備えている。両ミラー支
持腕３０には、反射光学系として反射鏡３２を支持する
ミラーホルダ３１が位置決めされ固定されている。図１
において、（ａ）は実施例の正面図の断面図であり、
（ｂ）は左側面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）はＶ溝と
小球の接触状態を示す部分平面図である。

【００３０】本発明による反射光学系の支持調整装置
は、反射鏡３２がミラーホルダ３１に固定されている。
ミラーホルダ３１にはばね掛棒３３が固定されており、
このばね掛棒３３に引張ばね３４のフックが掛けられて
いる。また、ミラー支持腕３０の背面に固定したばね掛
アーム３５のばね止め３９に、前記引張ばね３４の他端
のフックが掛けられており、それにより引張ばね３４は
ミラー支持腕３０の通孔４７を貫通し、ミラーホルダ３
２を放射状に配置した下記のＶ溝３６の放射中心に合致
した位置で、図１（ａ）中において左方向に引張ってい
る。このように、引張りばねをミラー支持腕３０の通孔
４７を貫通させることにより、引張りばねを用いている
にもかかわらず、全体を小型に構成することができる。

【００３１】ミラーホルダ３１の反射鏡３２の取付面の
反対側の面には、図１（ｃ）に破線で示すように、Ｖ溝
３６が３本、放射状に１２０度の等配列で成形されてい
る。このＶ溝に小球３７が、１個づつ合計３個落ち込む
ように形成しており、前記引張ばねの張力により、Ｖ溝
３６と確実に接している。各小球３７はＶ溝３６に２点
で接触しており、小球は３個あるので、この３個の合計
により、ミラーホルダ３１をミラー支持腕３０に対して
安定的な６点拘束を実施している。小球３７はそれぞれ
の調整ねじ３８の先端に固定され、調整ねじ３８はミラ
ー支持腕３０に螺合している。

【００３２】以上のように反射光学系の支持調整装置を
構成することにより、光波干渉ステッパ２０の３球球面
座の中心線A−Aに対して、反射鏡３２の反射面を完全に
合致させることができ、且つ後述する干渉光紬に対して
反射面を垂直にする姿勢に容易に調整することができ
る。なお、上記反射鏡の代わりに、光学用反射部材とし
て通常用いられているコーナキューブ等、各種の反射部
材を用いることができる。

【００３３】上記のような光波干渉ステッパ２０を用
い、前記ボールステップゲージ１０のボールの間隔を測
定するに際しては、図７の光学系原理図に示すように、
投光受光器４１、第１ハーフミラー４２、第２ハーフミ
ラー４３、第１反射プリズム４４、第２反射プリズム４
５を用いた公知の光干渉計測装置４０を用いる。この光
干渉計測装置４０を用い、第１ハーフミラー４２と第２
ハーフミラー４３からの光を、前記光波干渉ステッパ２
０の両側に位置する反射鏡３２、３２’に対して投光
し、その反射光を受け、両反射鏡３２，３２’の位置を
正確に測定する。

【００３４】ボールステップゲージ１０の第１番目のボ
ール５と第２番目のボール５’とで位置決めされて決定
される反射鏡３２，３２’の反射面の位置を測定原点の
零点とし、次に第２番目と第３番目のボールの位置に光
波干渉ステッパ２０を移動させ、前記と同様に位置測定
を行う。この移動測定を順次繰り返して、ボールステッ
プゲージの各ボールの位置を測定し、それによりボール
間隔を測定することができる。なお、最後の１組のボー
ル間隔は、ボールステップゲージを反転して、前記と同
様な干渉測定を実施し、測定を行うことができる。それ
により、光の波長を直接測定標準として用い、全ボール
間隔を測定することができ、従来の三次元測定機を用い
てボール間隔を測定するものと比較して正確な測定を行
うことができ、極めて正確なボールステップゲージとす
ることができる。

【００３５】更に必要ならば、前記と逆方向に、前記と
同様な干渉測定を順に実施することにより、各ボール間
隔を２回計測し、両計測値に基づいてより正確な測定を
行うこともでき、更に精密なボールステップゲージとす
ることができる。

【００３６】ボール５と光波干渉ステッパ２０の３球球
面座は、水平移動させる際に両者の位置の干渉を開放す
るため、光波干渉ステッパ２０を持ち上げるようにし
て、次のボール位置に移動する。この上下方向移動には
三次元測定機のＺ軸機能を使用して、軸５０をZ軸にチ
ャッキングして行うことができる。水平移動は同様に三
次元測定機のX軸機能を使用して、光波干渉ステッパ２
０を直接移動させることができる。また、テーブル移動
形三次元測定機を用いる場合は、そのX軸機能でボール
ステップゲージ１０そのものを移動して、水平移動を行
うこともできる。

【００３７】このような光波干渉ステッパ２０を用いる
ことにより、光波干渉ステッパが例えば図３及び図４に
おいて左右に傾斜したときでも、両反射鏡３２，３２’
は常に両ボール５，５’を通る軸線を中心に傾斜するた
め、アッベの原理が順守され、常に正確な計測を行うこ
とができる。また、このような光波干渉ステッパは、前
記図８に示すようなボールステップゲージに対して適用
するのみならず、例えば図９に示すような従来のボール
ステップゲージ等、各種のボールステップゲージにも適
用することができる。

【００３８】図６は光波干渉ステッパ２０の上板２１
と、上記干渉測定時に光波干渉ステッパ２０を移動する
際に使用する軸５０の嵌合状況を示す説明図であり、軸
５０の上板２１の穴２９とは図示するように、若干の嵌
合すきま５１を有することが望ましい。これは、三次元
測定機のZ軸下部と軸５０が、その上部５２で結合され
た場合、前記したボールステップゲージ１０の６点拘束
以外の付加的拘束が発生しないための対策であり、上記
のような干渉測定時に前記穴２９に対して半径方向に
も、軸５０が上板４１に対してすきまを保持しているこ
とが必要である。なお、上記軸５０を上板２１に完全に
固定した場合には、軸５０の上部５２が三次元測定機の
Z軸端に対して、すきまを設ける必要がある。

【００３９】本発明による反射光学系支持装置を適用し
た光波干渉ステッパ２０を用いて、図８に示すような本
発明者により提案されているボールステップゲージ１の
ボールの間隔を測定すると、このボールステップゲージ
自体が前記のように、熱的にも静加重に対しても安定し
ているので、極めて正確な値を常に維持しているボール
ゲージとすることができ、このようなボールステップゲ
ージの各ボールの間隔を上記のような装置を用いて精密
に測定を行うことにより、三次元測定機の校正を正確に
行うことができるボールステップゲージとすることがで
きる。

【００４０】なお、上記実施例においては、本発明を三
次元測定機を校正するためのボールステップゲージにお
いて、そのボールの間隔を正確に値付けするための機器
としての光波干渉ステッパの反射光学系を調整する部分
に適用した実施例を示したが、そのほか、光波により測
定を行う各種測定機器において、その反射光学系を調整
するために使用することができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明は上記のように構成したので、各
種光学系測定装置に用いられる反射光学系の支持装置
を、正確に位置合わせを行いつつ傾きを調整することが
でき、干渉光軸に対して反射面を垂直にする姿勢等の各
種姿勢を、所定の位置で容易に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の反射光学系支持装置の実施例であり、
（ａ）はその断面図、（ｂ）は同左側面図、（ｃ）は同
右側面図、（ｄ）は同ミラーホルダーのＶ溝と小球との
接触状態を示す部分平面図である。

【図２】同反射光学系支持装置を、ボールステップゲー
ジ用光波干渉ステッパに適用した光波干渉ステッパの側
面図である。

【図３】同光波干渉ステッパの平面図である。

【図４】同光波干渉ステッパの右側面図である。

【図５】同光波干渉ステッパの左側面図である。

【図６】同光波干渉ステッパに設ける軸部分の拡大側面
図である。

【図７】同光波干渉ステッパの使用時に適用する光干渉
計測の光学系の原理図である。

【図８】本発明の反射光学系支持装置を適用する光波干
渉ステッパにより測定することが好ましいボールステッ
プゲージの実施例であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側
面図、（ｃ）は斜視図である。

【図９】従来のボールステップゲージを示し、（ａ）は
その平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は長手方向断面
図である。

【図１０】従来の他のボールステップゲージを示し、
（ａ）はその断面図、（ｂ）はその一部平面図である。

【符号の説明】

３０ミラー支持腕３１ミラーホルダ３２反射鏡３３ばね掛棒３４引張ばね３５ばね掛けアーム３６Ｖ溝３７小球３８調整ねじ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭51−151571（ＪＰ，Ａ) 特開2001−4322（ＪＰ，Ａ) 特開2001−4358（ＪＰ，Ａ) 特開2001−33647（ＪＰ，Ａ) 特開2001−338430（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−160711（ＪＰ，Ａ) 実開平４−98013（ＪＰ，Ｕ) 実開昭56−86638（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 G02B 7/198

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】前面に反射光学系部品を固定したホルダ
の後面にＶ溝を１２０度の等角度分割で設け、ホルダ支
持部材に螺合する調整ねじの先端に固定した球を各Ｖ溝
に嵌入し、ホルダ支持部材とホルダ中心間にばねを張設
し、各調整ねじの操作により反射光学系部品の位置、及
び姿勢を調整する反射光学系の支持調整装置において、
ホルダ支持部材の前面に前記ホルダを配置すると共に、
裏面にばね掛けアームを固定し、ホルダ支持部材の通孔
を貫通して前記バネ掛けアームとホルダ中心間に引張り
ばねを設けたことを特徴とする反射光学系の支持調整装
置。